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Se genera la explosión electrónica más corta.

27.02.2023

¿Alguna vez te has preguntado por qué tu computadora y otros dispositivos electrónicos son a veces rápidos y a veces lentos? Todo se reduce a la velocidad a la que los electrones, las partículas más pequeñas de nuestro microcosmos, salen de los diminutos cables dentro de los transistores de los circuitos electrónicos y crean pulsos. Desarrollar formas de aumentar esta velocidad es fundamental para desbloquear el mayor potencial de rendimiento de la electrónica y su software.

Pero, ¿cuál es el tiempo más corto para que los electrones fluyan fuera del diminuto metal de plomo en un circuito electrónico?

Usando destellos de láser extremadamente cortos, un equipo de investigadores dirigido por el Prof. Eleftherios Gulielmakis, director del Grupo de Fotónica Extrema del Instituto de Física de la Universidad de Rostock, y personal del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, utilizó el estado del arte hoy.

Si bien se sabe desde hace tiempo que la luz puede liberar electrones de los metales (Einstein fue el primero en explicar cómo), este proceso es extremadamente difícil de manipular. El campo eléctrico de la luz cambia de dirección alrededor de un billón de veces por segundo, lo que dificulta el control de cómo extrae los electrones de la superficie de los metales.

Para superar este problema, los científicos de Rostock y sus colegas utilizaron una tecnología de punta desarrollada previamente por su grupo, la fusión de campo de luz, que les permitió reducir el destello de luz a menos que el giro completo de su propio campo. . A su vez, usaron estos destellos para iluminar la punta de una aguja de tungsteno para liberar electrones en el vacío.

"Al usar pulsos de luz que contienen solo un ciclo de su campo, ahora es posible dar a los electrones un choque controlado con precisión para liberarlos de la punta de tungsteno en un período de tiempo muy corto", explica Eleftherios Gulielmakis, jefe del equipo de investigación.

Pero este problema sería imposible de resolver si los científicos tampoco encontraran una forma de medir la corta duración de estos destellos de electrones. Para superar este obstáculo, el equipo desarrolló un nuevo tipo de cámara que puede tomar instantáneas de electrones durante un corto tiempo mientras un láser los empuja fuera de la nanopunta y los lleva al vacío.

"El truco fue usar un segundo destello de luz muy débil", dijo el Dr. Hee-Yong Kim, autor principal del nuevo estudio. "Este segundo estallido de láser puede distorsionar suavemente la energía de la explosión de electrones para ver cómo se ve con el tiempo", agrega. “Es como un juego de 'Qué hay en la caja' en el que los jugadores intentan reconocer un objeto sin mirarlo, simplemente girándolo para sentir su forma con las manos”, continúa.

Pero, ¿cómo se puede utilizar esta tecnología en la electrónica? "A medida que la tecnología avanza rápidamente, es razonable esperar el desarrollo de circuitos electrónicos microscópicos en los que los electrones se mueven a través del espacio vacío entre plomo densamente empaquetado para evitar que los obstáculos los ralenticen", dice Gulielmakis. "Usar la luz para expulsar electrones y moverlos entre estos cables podría acelerar la electrónica del futuro por un factor de varios miles en comparación con la actualidad", explica.

Pero los investigadores creen que su metodología desarrollada recientemente se utilizará específicamente con fines científicos. "La eyección de electrones de un metal dentro de una fracción de un ciclo de campo de luz simplifica enormemente los experimentos y nos permite utilizar métodos teóricos avanzados para comprender la emisión de electrones de una manera que antes no era posible", dice el profesor Thomas Fennell, coautor del estudio.

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La energía térmica recogida se extrae mediante aire ventilado para proporcionar calefacción de espacios en la estación fría o para reducir la carga en el enfriamiento de las instalaciones en el calor. La ventana SSH tiene una transmitancia aparente del 42 %, una eficiencia de conversión solar del 0,75 % y una eficiencia de conversión solar del 24 % con un aumento de 10 °C en la temperatura del aire ventilado.

El equipo de investigación utilizó un concentrador solar luminiscente (TPV) basado en puntos cuánticos (QD) de cobre, indio y sulfuro de zinc (CuInS2/ZnS) como ventana exterior. Es capaz de recolectar luz ultravioleta y transmitirla a dispositivos fotovoltaicos opacos ubicados en el borde de un sustrato transparente para generar electricidad. TSA se utilizó para hacer el interior de la ventana donde se produce y recoge el calor.

Los científicos realizaron un prototipo de 30 x 30 x 2,4 cm ensamblando elementos TPV con TSA en el interior. Afirman que el dispositivo mostró una transmisión visible significativa y que podría generar 6 vatios por metro cuadrado y una salida térmica de alrededor de 150 vatios por metro cuadrado.

La producción de calor es 25 veces mayor que la electricidad producida, lo que significa que la recolección de calor es de suma importancia para las ventanas de recolección de energía solar integradas en edificios. Al recolectar energía térmica a través de la ventilación, la eficiencia útil total se estima en más del 30% en condiciones de funcionamiento típicas para la calefacción de espacios en edificios.

Una ventana SSH puede ahorrar hasta un 61,5 % del consumo anual de energía de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) en comparación con el vidrio convencional, además de generar electricidad con un ahorro de energía anual de hasta el 19,1 %.

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